飞秒光学频率梳测距技术的研究进展

　　0 引言

　　利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，能够实现位移的准确测量，激光测距已被广泛应用到地形、工程、人造地球卫星轨道和月球的光学定位等测量领域中[1 -7]。早在 1887 年，迈克尔逊就首次提出使用光学干涉仪来测量长度量，基于光波长的光学长度计量学随着测量准确度和范围要求的提高也得以逐步发展。激光测距主要是确定光在往返待测距离后所发生的相移，波长越短分辨力越高，但长波长信号则会引入较大的距离模糊度。飞秒光学频率梳提供了一种有效的方法来解决高准确度星间测距问题。其测距方法主要包括多波长干涉测距法、结合非相干原理和相干原理的测距法、基于时间飞行原理的非干涉测距法和集成时间飞行、光谱分辨干涉及合成波长的测距法。

　　1 国外发展现状

　　国外较早地开展了使用飞秒光学频率梳来测量绝对距离的实验。在 2000 年，日本国家工业研究院的K. Minoshima 和 H. Matsumoto 在 Applied Optics 上发表了利用锁模飞秒光纤激光器及飞秒测距法成功实现了相对不确定度高达 8 × 10- 6的 240 m 距离的测量[8]。文中使用单色和双色激光进行了两个实验，飞秒光纤激光器紧凑的体积使它非常适合于室外测距实验。

　　采用单频光进行测距的实验装置如图 1 所示。实验中采用中心波长为 780 nm 的光，首先被分光镜分为两束，一束由光电探测器 PD2 探测，将另外一束直径扩束为 100 mm 并传播 240 m 后再进入光学延迟臂进行实验。实验中 780 nm 的激光作为参考光，另外为了方便调整光路，使 He-Ne 激光 ( 作为探测光) 和飞秒激光共轴传播，由光电探测器 PD1探测信号。然后通过改变光程差来改变探测光和参考光的相位差，并通过相位计测量相位差，进而得到待测距离。采用双频光进行测距的实验装置如图 2 所示。

　　实验采用中心波长为 780 nm 和 1560 nm 的激光，与图1 不同的是，使用双频光进行测距实验可以实现空气群折射率的自校准。在实验中采用两种频率的激光对0 m 和 240 m 的距离进行测量，其参考光和单频光测距实验中的参考光相同。首先通过相位计测得不同频率下测量 0 m 和 240 m 时的相移，并考虑两种不同频率的光束在空气和透镜中传播所产生的光程差，最后实现空气折射率变化的测量。这篇文献为将来使用高频飞秒脉冲实现高准确度测距提供了指导，人们有望利用10 GHz 的高频飞秒脉冲来达到 μm 量级的测量分辨力。下面对几种主要的飞秒测距方法作以阐述。

　　1. 1 结合非相干原理和相干原理的测距法

　　2004 年，美国空间天体实验室的华裔物理学家叶军在 Optics Letters 上发表了利用相位稳定的飞秒激光器，提出结合非相干的飞行时间法和干涉法的测距技术[9]。在很大的距离范围内，这种合成测量法可以达到一个光学波长的测量分辨力。值得关注的是测量较长距离时，由于存在重复频率的计时跳动和脉冲载波包络相位的噪声，飞秒光脉冲干涉条纹的对比度会有较大幅度的下降。不过这种方法的优势是可以测量上千公里的距离且分辨力较高。这些研究工作对以后飞秒脉冲激光测距的研究具有重要的指导意义。2008 年，荷兰科学家 M. Cui 和 R. N. Schouten等人通过实验证实了 2004 年由华裔物理学家叶军提出的时间飞行法和干涉测量法结合的飞秒激光测距技术理论的合理性[10]。实验中两次采集参考光路与测量光路间的相关函数，通过对相关函数的修正得到待测距离。测量结果和一台参考干涉仪的测量结果相差小于半个波长。其误差来源可以估计为探测器的计时跳动引起了互相关函数随时间的漂移。同时发现实验装置和 PZT 元件稳定性的提高有望改善长度的测量结果。作者通过载波包络的曲线拟合来确定最终的位移量。而且发现通过测量包络的位置可以剔除测量的不确定度，进而可以达到传统载波干涉测量的最高准确度。